CN108919368A - 一种用于消除微小卫星剩磁干扰的系统及方法 - Google Patents

一种用于消除微小卫星剩磁干扰的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于消除微小卫星剩磁干扰的系统及方法，将微小卫星平台剩磁建模为磁偶极子，在卫星表面两对称伸杆的末端处各布设一个矢量磁力仪探头，利用磁场梯度积分与磁场值之间的内在联系，估算卫星平台的剩磁干扰，从而给出卫星本体位置处的地磁场值。本发明采用磁场梯度积分的方法给出卫星平台剩磁估计方法，可达到消除卫星平台剩磁干扰，提高空间地磁场测量准确性的目的。

Description

一种用于消除微小卫星剩磁干扰的系统及方法
技术领域
本发明属于地球物理卫星磁法勘探领域，涉及一种基于磁场梯度测量消除微小卫星平台磁干扰的系统及方法。
背景技术
卫星磁测作为一种重要的地磁场探测方法在地球物理卫星磁法勘探领域获得广泛的应用。现有卫星磁测法将磁力仪固定在卫星伸杆上，通过增加磁力仪传感部分与卫星平台本体的距离来减小卫星本体剩磁对磁力仪测量结果的影响，随着磁力仪指标的提高，仅依靠这种方法已经无法有效消除卫星平台本体剩磁的干扰，因此，采用有效方法计算并消除卫星平台造成的磁干扰具有重要的意义。
传统的卫星平台磁干扰计算方法将两个磁力仪探头布置在同一伸杆上，其中一个探头设置在伸杆末端，另一个磁力仪探头设置在伸杆末端和卫星本体之间某一位置处，通过双探头差分测量方法计算卫星平台的剩磁。但微小卫星相对于普通卫星来说磁矩更小，采用双探头差分测量方法估计微小卫星平台剩磁的精度无法满足需求，而且传统方法采用的伸杆的长度较长，磁力仪探头的安装方式不适合微小卫星。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供了一种基于磁场梯度测量消除微小卫星平台磁干扰的系统及方法，在卫星上布设两个伸杆，保证卫星中心与两伸杆共线，在两伸杆末端各布设一个矢量磁力仪探头，结合消除磁干扰的算法解决微小卫星平台带来的磁干扰问题。
本发明的技术方案是：
一种用于消除微小卫星剩磁干扰的系统，包括第一矢量磁力仪探头、第二矢量磁力仪探头、磁力仪电子箱、第一线缆、第二线缆、第一伸杆、第二伸杆和卫星平台；
第一伸杆和第二伸杆分别安装在卫星平台的两侧，且卫星平台的中心与第一伸杆和第二伸杆共线，第一矢量磁力仪探头与第二矢量磁力仪探头分别固定在第一伸杆末端以及第二伸杆的末端，磁力仪电子箱设置在卫星平台中心处，第一线缆和第二线缆用于实现第一矢量磁力仪探头和第二矢量磁力仪探头与磁力仪电子箱之间的信号传输；
磁力仪电子箱对第一矢量磁力仪探头和第二矢量磁力仪探头测量得到的包含磁干扰的磁场值进行处理，从而消除微小卫星的剩磁干扰，得到真实地磁场值。
所述第一伸杆和第二伸杆关于卫星平台的中心对称放置，且第一伸杆和第二伸杆长度相同。
第一矢量磁力仪探头和第二矢量磁力仪探头与卫星平台中心之间的距离相同。
第一矢量磁力仪探头、第二矢量磁力仪探头是磁敏感单元。
卫星平台为微小卫星。
一种消除微小卫星剩磁干扰的方法，步骤如下：
(1)记录第一矢量磁力仪探头(101)和第二矢量磁力仪探头(105)测量得到的磁场值，分别为和
(2)根据所述磁场值和计算与卫星平台(103)剩磁相关的三个磁矩参数k1、k2和k3；
其中L1是第一矢量磁力仪探头(101)在卫星平台坐标系X轴的投影，其为负，L2是第二矢量磁力仪探头(105)在卫星平台坐标系X轴的投影，其为正；
为磁场的三个分量，即
为磁场的三个分量，即
所述卫星平台坐标系的原点为卫星平台(103)中心，以伸杆的轴向为X轴，第二伸杆所在方向为X轴正方向，卫星平台(103)指向地心的方向为Z轴正向，Y轴由右手定则确定；
(3)利用磁矩参数k1、k2和k3计算第一矢量磁力仪探头(101)处的卫星平台(103)的磁干扰
(4)利用磁矩参数k1、k2和k3计算第二矢量磁力仪探头(105)处的卫星平台(103)的磁干扰
(5)将第一矢量磁力仪探头(101)的磁场值与卫星平台(103)在第一矢量磁力仪探头(101)处的磁干扰作差，计算第一矢量磁力仪探头(101)处地磁场
(6)将第二矢量磁力仪探头(105)的磁场值与卫星平台(103)在第二矢量磁力仪探头(105)处的磁干扰作差，计算第二矢量磁力仪探头(105)处地磁场
(7)计算第一矢量磁力仪探头(101)处的背景磁场与第二矢量磁力仪探头(105)处的背景磁场的平均值，得到空间地磁场值从而完成微小卫星剩磁干扰的消除；
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明只需在微小卫星两侧安装矢量磁力仪探头，从而消除卫星本体引起的磁场干扰。
(2)本发明采用磁场梯度积分的方法计算卫星本体剩磁，能够提高磁场测量精度。
(3)本发明的系统结构简单，可用于微小卫星平台。
(4)本发明采用矢量磁力仪，可得到空间磁场矢量信息。
(5)本发明算法计算量小，占用资源少，能够实现地磁场在轨实时校准。
附图说明
图1是本发明的消除微小卫星剩磁干扰系统结构示意图；
图2是本发明中L1、L2、Ln参数的说明示意图；
图3是本发明的微小卫星平台磁干扰消除流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明给出的消除微小卫星剩磁干扰系统结构示意图，包括第一矢量磁力仪探头101、第二矢量磁力仪探头105、磁力仪电子箱106、第一线缆107、第二线缆108、第一伸杆102、第二伸杆104和卫星平台103；
第一伸杆102和第二伸杆104分别安装在卫星平台103的两侧，且卫星平台103的中心与第一伸杆102和第二伸杆104共线，如图2所示，第一矢量磁力仪探头101与第二矢量磁力仪探头105分别固定在第一伸杆102末端以及第二伸杆104的末端，磁力仪电子箱106设置在卫星平台103中心处，第一线缆107和第二线缆108用于实现第一矢量磁力仪探头101和第二矢量磁力仪探头105与磁力仪电子箱106之间的信号传输；
磁力仪电子箱106对第一矢量磁力仪探头101和第二矢量磁力仪探头105测量得到的包含磁干扰的磁场值进行处理，从而消除微小卫星的剩磁干扰，得到真实地磁场值。
所述第一伸杆102和第二伸杆104关于卫星平台103的中心对称放置，且第一伸杆102和第二伸杆104长度相同，本发明设置为5m。
第一矢量磁力仪探头101和第二矢量磁力仪探头105与卫星平台103中心之间的距离相同。第一矢量磁力仪探头101、第二矢量磁力仪探头105是磁敏感单元。本发明中的卫星平台103指微小卫星。
本发明基于上述系统，还提供了一种用于消除微小卫星剩磁干扰的方法，在卫星平台上对称布设两伸杆101和102，在两伸杆末端分别固定矢量磁力仪探头101和105，将微小卫星平台103剩磁建模为磁偶极子，利用梯度积分为磁场的原理计算卫星平台103剩磁，达到准确求解卫星平台本体处地磁场、计算两伸杆处地磁梯度的目的。
所依据原理为：(1)磁场梯度是磁场强度在磁场方向上单位距离的变化量且磁场强度与距离的三次方成反比，故磁场梯度与距离的四次方成反比。(2)无穷远处微小卫星平台产生的磁干扰为零。(3)在轨道高度处，磁力仪单次测量过程中，直径10米区域内地磁场值为均一、恒定值。
本发明提出的消除剩磁干扰实施例如图3所示。
步骤301：磁测系统各部件安装好以后，开始进入卫星平台磁干扰计算阶段；
步骤302：读取第一矢量磁力仪探头101数据
第一矢量磁力仪探头101所在位置处矢量磁场表达式为
式(1)中为第一矢量磁力仪探头测量得到的地磁场值，卫星平台103在第一矢量磁力仪探头101处产生干扰可表达为式(2)。
其中gx(r)、gy(r)、gz(r)为第一矢量磁力仪探头101所在位置处矢量磁场所在三个轴的磁场梯度，k1、k2和k3为与卫星平台103剩磁有关的参数，以卫星平台103中心为原点建立卫星平台坐标系，L1是第一矢量磁力仪探头101在卫星平台坐标系X轴的投影，其为负，Ln则表示正无穷远点+∞，这里注意到磁场梯度与距离的四次方成反比。
所述卫星平台坐标系的原点为卫星平台103中心，以伸杆的轴向为X轴，第二伸杆所在方向为X轴正方向，卫星平台103指向地心的方向为Z轴正向，Y轴由右手定则确定；
步骤303：读取第二矢量磁力仪探头105数据
第二矢量磁力仪探头105所在位置处矢量磁场表达式为
式(3)中卫星平台103在第二矢量磁力仪探头105处产生干扰可表达为式(4)。
其中L2是第二矢量磁力仪探头105在卫星平台坐标系X轴的投影，其为正；
步骤304：第一矢量磁力仪探头101与第二矢量磁力仪探头105的测量结果作差，表达为式(5)。
式(5)利用积分区间可加性，同时等式左侧的测量值已知，可直接求解与卫星剩磁相关的三个参数：
其中为磁场的三个分量，即
为磁场的三个分量，即
步骤305：利用计算所得参数k1、k2和k3，求出卫星平台103在第一矢量磁力仪探头101所在位置处磁干扰
步骤306：计算得到第一矢量磁力仪探头测得的地磁场值为
步骤307：利用计算所得参数k1、k2和k3，求出卫星平台103在第二矢量磁力仪探头105所在位置处磁干扰
步骤308：计算得到第二矢量磁力仪探头测得的地磁场值为
步骤309：根据两个矢量磁力仪的测量结果计算平均值，即为地磁场值，故地磁场表达为式(10)。
步骤310：结束一次磁场测量过程。
可以理解的是，以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于消除微小卫星剩磁干扰的系统，其特征在于：包括第一矢量磁力仪探头(101)、第二矢量磁力仪探头(105)、磁力仪电子箱(106)、第一线缆(107)、第二线缆(108)、第一伸杆(102)、第二伸杆(104)和卫星平台(103)；
第一伸杆(102)和第二伸杆(104)分别安装在卫星平台(103)的两侧，且卫星平台(103)的中心与第一伸杆(102)和第二伸杆(104)共线，第一矢量磁力仪探头(101)与第二矢量磁力仪探头(105)分别固定在第一伸杆(102)末端以及第二伸杆(104)的末端，磁力仪电子箱(106)设置在卫星平台(103)中心处，第一线缆(107)和第二线缆(108)用于实现第一矢量磁力仪探头(101)和第二矢量磁力仪探头(105)与磁力仪电子箱(106)之间的信号传输；
磁力仪电子箱(106)对第一矢量磁力仪探头(101)和第二矢量磁力仪探头(105)测量得到的包含磁干扰的磁场值进行处理，从而消除微小卫星的剩磁干扰，得到真实地磁场值。
2.根据权利要求1所述的一种用于消除微小卫星剩磁干扰的系统，其特征在于：所述第一伸杆(102)和第二伸杆(104)关于卫星平台(103)的中心对称放置，且第一伸杆(102)和第二伸杆(104)长度相同。
3.根据权利要求1所述的一种用于消除微小卫星剩磁干扰的系统，其特征在于：第一矢量磁力仪探头(101)和第二矢量磁力仪探头(105)与卫星平台(103)中心之间的距离相同。
4.根据权利要求1所述的一种用于消除微小卫星剩磁干扰的系统，其特征在于：第一矢量磁力仪探头(101)、第二矢量磁力仪探头(105)是磁敏感单元。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的一种用于消除微小卫星剩磁干扰的系统，其特征在于：卫星平台(103)为微小卫星。
6.一种基于所述消除微小卫星剩磁干扰系统实现的消除微小卫星剩磁干扰的方法，其特征在于步骤如下：
(1)记录第一矢量磁力仪探头(101)和第二矢量磁力仪探头(105)测量得到的磁场值，分别为和
(2)根据所述磁场值和计算与卫星平台(103)剩磁相关的三个磁矩参数k1、k2和k3；
(3)利用磁矩参数k1、k2和k3计算第一矢量磁力仪探头(101)处的卫星平台(103)的磁干扰
(4)利用磁矩参数k1、k2和k3计算第二矢量磁力仪探头(105)处的卫星平台(103)的磁干扰
(5)将第一矢量磁力仪探头(101)的磁场值与卫星平台(103)在第一矢量磁力仪探头(101)处的磁干扰作差，计算第一矢量磁力仪探头(101)处地磁场
(6)将第二矢量磁力仪探头(105)的磁场值与卫星平台(103)在第二矢量磁力仪探头(105)处的磁干扰作差，计算第二矢量磁力仪探头(105)处地磁场
(7)计算第一矢量磁力仪探头(101)处的背景磁场与第二矢量磁力仪探头(105)处的背景磁场的平均值，得到空间地磁场值从而完成微小卫星剩磁干扰的消除。
7.根据权利要求6所述的一种消除微小卫星剩磁干扰的方法，其特征在于：所述步骤2中磁矩参数k1、k2和k3，具体通过如下方式计算得到：
其中L1是第一矢量磁力仪探头(101)在卫星平台坐标系X轴的投影，其为负，L2是第二矢量磁力仪探头(105)在卫星平台坐标系X轴的投影，其为正；
为磁场的三个分量，即
为磁场的三个分量，即
所述卫星平台坐标系的原点为卫星平台(103)中心，以伸杆的轴向为X轴，第二伸杆所在方向为X轴正方向，卫星平台(103)指向地心的方向为Z轴正向，Y轴由右手定则确定。
8.根据权利要求6所述的一种消除微小卫星剩磁干扰的方法，其特征在于：所述步骤(3)第一矢量磁力仪探头(101)处的卫星平台(103)的磁干扰具体为：
第二矢量磁力仪探头(105)处的卫星平台(103)的磁干扰具体为：
9.根据权利要求6所述的一种消除微小卫星剩磁干扰的方法，其特征在于：第一矢量磁力仪探头(101)处地磁场具体为：
第二矢量磁力仪探头(105)处地磁场具体为：
10.根据权利要求6所述的一种消除微小卫星剩磁干扰的方法，其特征在于：所述步骤(7)空间地磁场值具体为：
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